□劉偉強(qiáng)（廣東省水利電力規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院測(cè)繪工程分院）

水庫大壩變形觀測(cè)過程GPS-RTK技術(shù)的有效運(yùn)用

□劉偉強(qiáng)（廣東省水利電力規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院測(cè)繪工程分院）

將G PS-RTK技術(shù)有效運(yùn)用于水庫大壩變形觀測(cè)過程中是近年來水利工程科技發(fā)展的必然趨勢(shì)。因?yàn)镚 PS-RTK作為現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)的代表，已經(jīng)逐漸適應(yīng)了水利水電工程變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的各項(xiàng)需求，提高了大壩在高邊坡、滑坡等監(jiān)測(cè)技術(shù)環(huán)節(jié)的自動(dòng)化程度與測(cè)量精度。文章基于G PS-RTK的周跳載波相位測(cè)量技術(shù)所衍生的小波變換理論，詳細(xì)分析了在水庫大壩變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理中的具體計(jì)算應(yīng)用。

水庫大壩變形監(jiān)測(cè)；G PS-RTK；數(shù)據(jù)處理；小波變換理論

0 引言

中國(guó)擁有10萬余座水利堤壩，它們?cè)诜篮椤⒐喔?、發(fā)電、供水及航運(yùn)等方面為國(guó)家建設(shè)帶來極大經(jīng)濟(jì)效益，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)設(shè)施。但伴隨高壩大庫的越來越多以及水利堤壩的長(zhǎng)期病害老化問題，水利大壩的變形監(jiān)測(cè)監(jiān)控就成為現(xiàn)如今工程的重大課題。目前所常見的水電工程滑坡、海上建筑物沉陷等等都會(huì)導(dǎo)致大壩變形，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成大量非計(jì)劃泄放庫水的瞬間爆發(fā)，為大壩下游地區(qū)帶來不可估量的嚴(yán)重?fù)p失。所以一定要做好水庫大壩的變形監(jiān)測(cè)工作，確保大壩時(shí)刻安全，使其更好為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務(wù)。

1 GPS-RTK技術(shù)在水利工程變形監(jiān)測(cè)中的技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

水庫大壩在大型土建建設(shè)過程中為確保工程穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)，會(huì)在周邊修建一些臨時(shí)或永久的邊坡工程，對(duì)于這些邊坡工程必須要做好有效的變形監(jiān)測(cè)及計(jì)算，防止它們出現(xiàn)塌陷問題進(jìn)而影響這個(gè)水庫大壩穩(wěn)定性。其主要做法就是依據(jù)邊坡工程變形規(guī)律與發(fā)展趨勢(shì)來進(jìn)行合理加固，保證工程安全穩(wěn)定運(yùn)行。一般來說，可以通過GPS-RTK載波相位差分技術(shù)來實(shí)時(shí)獲取大壩變形體動(dòng)態(tài)唯一信息，借助信息預(yù)測(cè)其變形規(guī)律以及適時(shí)預(yù)警變形體的具體安危狀況。變形監(jiān)測(cè)主要涉及3個(gè)基本屬性：實(shí)時(shí)性、事前性和可靠性，監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容也包括3方面：對(duì)大壩變形體精度指標(biāo)的監(jiān)測(cè)確定、對(duì)監(jiān)測(cè)技術(shù)與方法的確定及實(shí)施以及對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理分析和對(duì)大壩安全狀況的診斷預(yù)警。在監(jiān)測(cè)過程中，其核心問題就是如何根據(jù)變形體來確定所允許變形值，再圍繞監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息獲得真實(shí)變形值這一過程?？梢哉f變形值就是評(píng)判變形體安全的主要指標(biāo)，也是確定監(jiān)測(cè)方法的關(guān)鍵依據(jù)。在工程中，大壩變形值與設(shè)計(jì)圖紙、地質(zhì)條件、施工質(zhì)量以及工況都有關(guān)系，是綜合指標(biāo)。常規(guī)監(jiān)測(cè)精度指標(biāo)要求其允許變形值應(yīng)該在1/10～1/20范圍內(nèi)，但在實(shí)際工程測(cè)量中也允許參考基準(zhǔn)來確定，在此基礎(chǔ)上消除誤差。就目前來看，基于GPS-RTK技術(shù)的變形預(yù)報(bào)數(shù)學(xué)模型就包括灰色系統(tǒng)模型、時(shí)間序列模型、小波模型以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等。這些模型各有優(yōu)勢(shì)，但水電工程運(yùn)行過程中存在多種影響因素且復(fù)雜不確定性強(qiáng)，所以在實(shí)施數(shù)學(xué)模型變形預(yù)測(cè)時(shí)應(yīng)該對(duì)預(yù)報(bào)過程做出充分的、全面的分析，以確定選擇哪一種數(shù)學(xué)模型。

對(duì)于水庫大壩這樣的巨型且結(jié)構(gòu)精密的建筑物，必須對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)信息數(shù)據(jù)掌握以確保其穩(wěn)定性。這里選擇采用GPS-RTK技術(shù)可以對(duì)水壩進(jìn)行有效實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，構(gòu)建數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高精度監(jiān)測(cè)行為。目前中國(guó)對(duì)水庫大壩所采用的是壩頂監(jiān)測(cè)，不但滿足了GPS-RTK對(duì)天開闊監(jiān)測(cè)的基本要求，而且能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，連續(xù)長(zhǎng)期獲取大壩運(yùn)行信息，是對(duì)大壩常規(guī)觀測(cè)外的理想技術(shù)補(bǔ)充。

2 基于GPS-RTK周跳探測(cè)的小波變換技術(shù)

2.1 周跳探測(cè)

GPS-RTK接收機(jī)所接收信號(hào)是根據(jù)時(shí)間而變化的變量，它的載波相位觀測(cè)值就是其中最重要的時(shí)間函數(shù)。該函數(shù)會(huì)隨時(shí)間變化而成為一條連續(xù)光滑曲線，當(dāng)出現(xiàn)周跳時(shí)，光滑曲線就會(huì)被破壞。同時(shí)，周跳也具備繼承性，讓所有載波觀測(cè)值都保持相同周跳，所以說周跳可以被視為是GPS載波觀測(cè)值中的異常值，具體情況如圖1。

圖1 基于原始觀測(cè)與一、二差觀測(cè)的周跳值曲線函數(shù)圖

2.2 小波變換

從圖1的觀測(cè)函數(shù)值可以看出，周跳能夠表現(xiàn)出不同特征。但在傳統(tǒng)GPS-RTK技術(shù)對(duì)周跳進(jìn)行測(cè)量時(shí)，某些細(xì)小周跳會(huì)被系統(tǒng)誤差或噪聲所掩蓋，因此要采用小波變換對(duì)周跳信號(hào)特征效果進(jìn)行進(jìn)一步監(jiān)測(cè)，根據(jù)周跳混雜于系統(tǒng)中的系統(tǒng)誤差及偶然誤差來觀測(cè)數(shù)據(jù)變化。

在水庫大壩變形監(jiān)測(cè)過程中，小波變換是實(shí)施信號(hào)時(shí)頻分析與處理的最佳工具，因?yàn)榫_監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及可以有效預(yù)測(cè)大壩變形，分析水庫工程運(yùn)行的健康狀況。考慮到水庫大壩變形受多種因素影響，且這些因素具有很大的隨機(jī)性與非線性，所以必須根據(jù)變形本身所產(chǎn)生的歷史數(shù)據(jù)時(shí)間序列來進(jìn)行深度分析，選擇時(shí)間序列分解模型來對(duì)大壩變形進(jìn)行有效預(yù)測(cè)。

對(duì)水庫大壩變形體監(jiān)測(cè)過程而言，基于GPS-RTK與小波變換理論的監(jiān)測(cè)特征主要要?dú)w納為以下2點(diǎn)。第一，GPS-RTK結(jié)合小波變換監(jiān)測(cè)是具有趨勢(shì)性變化的，當(dāng)水庫大壩建成運(yùn)行時(shí)期，水壩在自重及水壓荷載共同作用下會(huì)發(fā)生徐變現(xiàn)象，它會(huì)導(dǎo)致壩體向上游或向下游的時(shí)效變形。由于大型水庫在庫水位會(huì)保持在正常高準(zhǔn)且不放空，所以水壓力作用會(huì)在壩體上產(chǎn)生彈性變量，導(dǎo)致水位逐漸上升。此時(shí)趨勢(shì)項(xiàng)分量就能夠判斷大壩位移是否穩(wěn)定，不過由于大壩變形存在復(fù)雜性，所以趨勢(shì)項(xiàng)一般反映的都是大壩的基本性態(tài)。第二，GPS-RTK結(jié)合小波變換監(jiān)測(cè)是具有隨機(jī)波動(dòng)特征的，這一點(diǎn)主要與影響大壩變形的溫度、水壓、地震等荷載客觀因素有關(guān)，由于這些這些因素是時(shí)刻變化的，所以說它們?cè)诖髩巫冃芜^程中是隨機(jī)波動(dòng)的。利用GPS-RTK結(jié)合小波變換監(jiān)測(cè)大壩變形體不存在確定性函數(shù)，所以無法完全準(zhǔn)確描述其變形函數(shù)曲線，因此這就導(dǎo)致了監(jiān)測(cè)過程存在無法避免的誤差。但如果能合理利用小波理論綜合預(yù)測(cè)模型來分析大壩變形體的時(shí)間序列有點(diǎn)、對(duì)趨勢(shì)項(xiàng)以及周期項(xiàng)的有效分離，就能夠?qū)⑸鲜鲆蛩胤蛛x后的剩余殘差序列進(jìn)行重整時(shí)序分析，同時(shí)提取弱信號(hào)信息進(jìn)而提高變形監(jiān)測(cè)精度。

3 案例簡(jiǎn)析

以某水利大壩的一壩段為例，對(duì)其水位與5個(gè)層面壩體溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)測(cè)量，以下圖2為該壩段的具體水位位移過程線。

基于GPS-RTK技術(shù)首先對(duì)該水壩位移過程線進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，再利用小波理論配合回歸分析來分析大壩水位位移過程，提升監(jiān)測(cè)信息預(yù)報(bào)精度。經(jīng)過回歸分析的擬合曲線計(jì)算得出水位位移誤差為0.70 mm，它的預(yù)測(cè)模型為：

圖2 水利大壩壩段水位位移過程線圖

用該模型進(jìn)行回歸分析可以提高監(jiān)測(cè)精度，以下為該水壩在5次實(shí)測(cè)值后的回歸時(shí)序分析預(yù)報(bào)結(jié)果，具體情況如表1。

表1 某水壩變形體回歸時(shí)序分析預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果表

對(duì)上述監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行小波變換分析，配合經(jīng)驗(yàn)趨勢(shì)項(xiàng)部分對(duì)大壩的水位時(shí)間變化進(jìn)行計(jì)算，模擬水位的時(shí)間回歸結(jié)果，證明水位變化的位移周期性。然后再對(duì)位移周期性下的水位層面溫度進(jìn)行基于GPS-RTK的實(shí)時(shí)觀測(cè)和小波分解，發(fā)現(xiàn)它的唯一周期與溫度變化趨勢(shì)是一致的，這主要是受到了大壩本體的溫度影響。通過小波分析后的趨勢(shì)項(xiàng)、周期項(xiàng)也得到明顯顯示，這非常有利于對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精確分析。

總結(jié)來看，基于GPS-RTK周跳探測(cè)的小波變換分析技術(shù)能夠很好的監(jiān)測(cè)大壩變形體的觀測(cè)值序列，發(fā)現(xiàn)平滑信號(hào)中的奇異信號(hào)部分，進(jìn)而解決該技術(shù)觀測(cè)中可能存在的周跳探測(cè)問題。所以選擇小波分析并建立預(yù)測(cè)模型，能夠更好預(yù)報(bào)大壩變形體變形過程甚至結(jié)果，為變形觀測(cè)給出了更為豐富的相關(guān)信息，提高了變形觀測(cè)的穩(wěn)定性。

4 總結(jié)

伴隨著中國(guó)大型水利水電工程技術(shù)的日新月異，像 GPSRTK這樣的載波相位差分技術(shù)也越來越受到項(xiàng)目歡迎和采納，積極的運(yùn)用于各種工程運(yùn)行安全監(jiān)測(cè)問題中。文章所提到的小波變換技術(shù)，正是GPS-RTK所延展出的新技術(shù)環(huán)境，它為水庫大壩工程變形監(jiān)測(cè)提供了高水平基準(zhǔn)，也為工程監(jiān)測(cè)本身獲取了大量變形信息序列，使得水庫大壩工程推進(jìn)更加安全可靠。

（責(zé)任編輯：邢博輝）

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